草地学报

水肥管理对紫花苜蓿种子生产的影响及多光谱机器学习模型构建

PDF下载

草地学报 | 研究论文 2026,34(9): 3185-3196

收起

草地学报 |研究论文 2026 , 34 (9) : 3185 -3196

水肥管理对紫花苜蓿种子生产的影响及多光谱机器学习模型构建

全屏

鞠克升¹, 周金露², 王青², 贺晓帆², 陈盈燕², 聂嘉欣², 刘芳茜², 李昱宏², 赵琨², 贾善刚²

作者信息

作者简介:

鞠克升(1971-),男,汉族,天津人,高级畜牧师,主要从事农产品质量安全和牧草种子推广示范研究,E-mail:349176563@qq.com

Effects of Water and Fertilizer Management on Seed Production of Alfalfa （Medicago sativa L.） and Construction of Multispectral Machine Learning Models

JU Ke-sheng¹, ZHOU Jin-lu², WANG Qing², HE Xiao-fan², CHEN Ying-yan², NIE Jia-xin², LIU Fang-qian², LI Yu-hong², ZHAO Kun², JIA Shan-gang²

Affiliations

doi: 10.11733/j.issn.1007-0435.2026.09.005

文章导航

摘要

收起

豆科牧草紫花苜蓿（Medicago sativa L.）种子产量与品质受水肥管理影响显著。本研究旨在探讨水肥梯度处理对紫花苜蓿种子产量及内容物含量的影响，试验设计了不同灌溉（600 m³·hm⁻²， 900 m³·hm⁻²， 1200 m³·hm⁻²）和磷肥（100 kg·hm⁻²， 200 kg·hm⁻²， 300 kg·hm⁻²）组合处理方案，测定了种子产量、产量组分、可溶性蛋白质和淀粉含量等指标，获取种子19个波段的多光谱信息，构建了nCDA-CNN模型，评估多光谱图像技术在水肥处理种子检测中的应用潜力。结果表明，适量水肥施用显著提高了种子产量、蛋白和淀粉含量（P<0.05）。其中灌水量600 m³·hm⁻²、施磷量200 kg·hm⁻²处理的种子产量最高（885.44 kg·hm⁻²），较对照增产287.96 kg·hm⁻²；灌水量600 m³·hm⁻²、施磷量100 kg·hm⁻²处理的种子可溶性蛋白和淀粉含量较高。通径分析显示，每荚果种子数对种子产量影响较大。种子多光谱图像分析发现，nCDA-CNN模型能够准确预测水肥处理的紫花苜蓿种子，识别准确率达到95%，这为紫花苜蓿种子生产高通量无损检测提供了可能。优化水肥管理可显著提升紫花苜蓿种子生产效益，多光谱图像技术结合深度学习模型在草种业质量检测与可持续发展中具有重要应用前景。

关键词

水肥管理 / 紫花苜蓿 / 种子产量 / 多光谱检测

Abstract

收起

The seed yield and quality of the leguminous forage alfalfa （Medicago sativa L.） are significantly influenced by water and fertilizer management. This study aimed to investigate the effects of different water and phosphorus fertilizer treatments on seed yield and seed quality of alfalfa. The experiment was designed to combine treatments with different irrigation levels （600， 900， and 1200 m³·hm^-2） and phosphorus fertilizer rates （100， 200， and 300 kg·hm^-2）. Seed yield， yield components， soluble protein content， and starch content were measured. Additionally， multispectral information of 19 bands was acquired， and an nCDA-CNN model was constructed to evaluate the potential of multispectral image technology for seed detection under different water and fertilizer treatments. The results showed that the appropriate water and phosphorus fertilizer application significantly increased seed yield， protein content， and starch content （P<0.05）. Among all treatments， the combination of 600 m³·hm^-2 irrigation and 200 kg·hm^-2 phosphorus fertilizer achieved the highest seed yield （885.44 kg·hm^-2）， representing an increase of 287.96 kg·hm^-2 compared to the control. Higher soluble protein and starch contents of seeds were observed under the treatment with 600 m³·hm^-2 irrigation and 100 kg·hm^-2 phosphorus fertilizer. Path analysis indicated that the number of seeds per pod had a greater influence on seed yield. Multispectral image analysis revealed that the nCDA-CNN model accurately predicted alfalfa seeds subjected to different water and fertilizer treatments， with a recognition accuracy of 95%. This provides a high-throughput， non-destructive detection method for alfalfa seed production. Optimized water and fertilizer manag-ement can significantly enhance alfalfa seed production. Multispectral image technology combined with deep learning models holds important application prospects for quality detection and sustainable development in the grass seed industry.

Key words

Water and fertilizer Management / Alfalfa / Seed yield / Multispectral detection

引用本文

鞠克升, 周金露, 王青, 贺晓帆, 陈盈燕, 聂嘉欣, 刘芳茜, 李昱宏, 赵琨, 贾善刚. 水肥管理对紫花苜蓿种子生产的影响及多光谱机器学习模型构建. 草地学报, 2026 , 34 (9) : 3185 -3196 . DOI: 10.11733/j.issn.1007-0435.2026.09.005

JU Ke-sheng, ZHOU Jin-lu, WANG Qing, HE Xiao-fan, CHEN Ying-yan, NIE Jia-xin, LIU Fang-qian, LI Yu-hong, ZHAO Kun, JIA Shan-gang. Effects of Water and Fertilizer Management on Seed Production of Alfalfa （Medicago sativa L.） and Construction of Multispectral Machine Learning Models[J]. Acta Agrestia Sinica, 2026 , 34 (9) : 3185 -3196 . DOI: 10.11733/j.issn.1007-0435.2026.09.005

基金

收起

“国家重点研发计划” (2022YFD1300804); 山东省自然科学基金 (ZR2024MC066)

参考文献

收起

文献

收起

参考文献引证文献

排序方式：

GUO Z G，LIU H X，WANG S M，et al. Biomass， persistence and drought resistance of nine lucerne varieties in the dry environment of West China[J]. Australian Journal of Experimental Agriculture，2005，45（1）：59-64
HUI J F，SUN Y L，WEI K Q，et al. Optimizing irrigation and fertilization management enhances alfalfa seed yield components through improved soil nutrient availability and leaf photosynthetic efficiency[J]. Frontiers in Plant Science，2025，16：1655710
CHEN C，MING W，MO B T，et al. The root characteristics of different alfalfa varieties[J]. Pratacultural Science，2014，31（5）：949-955 陈超，明炜，莫本田，等. 紫花苜蓿根系生长特性的品种比较[J]. 草业科学，2014，31（5）：949-955
LUO D，LIU W X，WANG Y R，et al. Development of a rapid one-step PCR protocol to distinguish between alfalfa （Medicago sativa） and sweet clover （Melilotus spp.） seeds[J]. Seed Science and Technology，2014，42（2）：237-246
ZHAO Y A，LU G X，DENG Y，et al. Effect of Rhizobium seed dressing on growth of two alfalfa and rhizosphere microbial diversity[J]. Acta Agrestia Sinica，2022，30（2）：370-378 赵阳安，芦光新，邓晔，等. 根瘤菌拌种对两种苜蓿生长及根际微生物多样性的影响[J]. 草地学报，2022，30（2）：370-378
LU Q，QI G P，YIN M H，et al. Alfalfa cultivation patterns in the Yellow River irrigation area on soil water and nitrogen use efficiency[J]. Agronomy，2024，14（4）：874
XIANG J C，CHE A X. Forage planting and forage processing technology[J]. Gansu Animal Husbandry and Veterinary Medicine，2015（4）：8-9 向金城，车爱霞. 牧草种植与饲草饲料加工技术[J]. 甘肃畜牧兽医，2015（4）：8-9
HAN L L，MAO P S，WANG X G，et al. Study on vigour test of oat seeds with near infrared reflectance spectroscopy[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves，2008，27（2）：86-90 韩亮亮，毛培胜，王新国，等. 近红外光谱技术在燕麦种子活力测定中的应用研究[J]. 红外与毫米波学报，2008，27（2）：86-90
WANG X，HUANG W，YU S Y，et al. Effect of water and fertilizer coupling on seed yield and composition of alfalfa grown with underground drip irrigation in Ningxia[J]. Acta Prataculturae Sinica，2022，31（9）：76-85 王星，黄薇，余淑艳，等. 宁夏地区地下滴灌水肥耦合对紫花苜蓿种子产量及构成因素的影响[J]. 草业学报，2022，31（9）：76-85
JIA Z C，OU C M，SUN S J，et al. Optimizing drip irrigation managements to improve alfalfa seed yield in semiarid region[J]. Agricultural Water Management，2024，297：108830
BASAL O，SZABÓ A. The combined effect of drought stress and nitrogen fertilization on soybean[J]. Agronomy，2020，10（3）：384
CAI T，WANG J，WU Z，et al. Effects of water-fertilizer coupling on yield， quality， and economic efficiency of alfalfa in saline-alkaline soils of Bayannur[J]. Chinese Journal of Grassland，2026，48（1）：49-61 蔡婷，王静，吴朝，等. 水肥耦合对巴彦淖尔盐碱地紫花苜蓿产量、品质和经济效益的影响[J]. 中国草地学报，2026，48（1）：49-61
ZHENG M N，LIANG X Z，HAN Z S，et al. Effects of phosphorus application levels on phosphorus accumulation and seed yield factors of alfalfa （Medicago sativa）[J]. Acta Agrestia Sinica，2020，28（1）：80-87 郑敏娜，梁秀芝，韩志顺，等. 不同磷素水平对紫花苜蓿磷累积动态和种子产量构成因子的影响[J]. 草地学报，2020，28（1）：80-87
MA G Y，HU A P，CHEN H C，et al. Effects of water and phosphorus regulation on photosynthesis and yield of alfalfa in the Yinda Irrigation District[J]. Journal of Irrigation and Drainage，2025，44（7）：26-33 马广元，胡爱萍，陈虎成，等. 水磷调控对引大灌区紫花苜蓿光合特性及产量的影响[J]. 灌溉排水学报，2025，44（7）：26-33
ZHU J Q，LU H Z，MA J，et al. Effects of N， P and K fertilizers on yield of alfalfa seed in Jiuquan city[J]. Gansu Agricultural Science and Technology，2020（5）：8-14 朱建强，路宏中，马静，等. 氮磷钾配施对酒泉市紫花苜蓿种子产量的影响[J]. 甘肃农业科技，2020，（5）：8-14
YU H Q，OU C M，WANG Z J，et al. Effects of agronomic measures on seed yield components of alfalfa[J]. Acta Agrestia Sinica，2021，29（12）：2853-2861 俞鸿千，欧成明，王占军，等. 农艺措施对紫花苜蓿种子产量组分的影响[J]. 草地学报，2021，29（12）：2853-2861
ZHANG L X，JIANG Y B，YIN M H，et al. Optimizing phosphorus fertilization management is conducive to improving alfalfa yield and quality： a meta-analysis[J]. Agriculture，2025，15（8）：797
LI Q，XING L M，GAO Y，et al. Effects of phosphate fertilizer on growth and seed yield of alfalfa （Medicago sativa）[J]. Journal of Xinjiang Agricultural University，2021，44（6）：396-400 李强，邢鏻木，高原千惠，等. 不同磷肥处理对紫花苜蓿生长及种子产量的影响[J]. 新疆农业大学学报，2021，44（6）：396-400
LING Y，YIN M H，KANG Y X，et al. Synergistic regulatory effects of water-nitrogen coupling on osmotic regulation， yield， and forage quality of alfalfa[J]. Plants，2026，15（2）：173
WANG X M，HE X，ZHANG H，et al. Non-destructive identification of artificially aged alfalfa seeds using multispectral imaging analysis[J]. Acta Prataculturae Sinica，2022，31（7）：197-208 王雪萌，何欣，张涵，等. 基于多光谱成像技术快速无损检测紫花苜蓿人工老化种子[J]. 草业学报，2022，31（7）：197-208
HE X，WANG X M，ZHANG H，et al. Convolutional neural network-based image recognition of forage seeds[J]. Pratacultural Science，2022，39（11）：2338-2349 何欣，王雪萌，张涵，等. 基于卷积神经网络的牧草种子图像识别[J]. 草业科学，2022，39（11）：2338-2349
LIU J Z，HE Y C，MA X Q，et al. Characteristics of natural ageing phenotypes and multispectral changes in seeds of different oat varieties[J]. Acta Agrestia Sinica，2024，32（12）：3688-3697 刘俊泽，贺英彩，马秀琴，等. 不同燕麦品种种子自然老化表型和多光谱变化特征[J]. 草地学报，2024，32（12）：3688-3697
NI H R，WANG R，HU H，et al. Seed identification of alfalfa varieties based on multispectral imaging[J]. Acta Agrestia Sinica，2023，31（10）：2985-2991 倪浩然，王润，胡昊，等. 基于多光谱成像技术鉴别不同紫花苜蓿品种的种子[J]. 草地学报，2023，31（10）：2985-2991
LI M G，LIU J H，PANG H T. Determination of alfalfa production index and analysis of soil nutrient abundance and deficiency[J]. Shandong Journal of Animal Science and Veterinary Medicine，2014，35（2）：66-68 李明贵，刘继华，庞海涛. 苜蓿生产指标测定与土壤养分丰缺分析[J]. 山东畜牧兽医，2014，35（2）：66-68
LI Z Y，YANG J H，CHENG Y Y，et al. The reform and exploration on teaching of soil agrochemistry analysis experiment[J]. Journal of Southwest China Normal University （Natural Science Edition），2019，44（1）：144-149 李忠意，杨剑虹，程永毅，等. “土壤农化分析”实验教学的改革与探索[J]. 西南师范大学学报（自然科学版），2019，44（1）：144-149
LIU Z C，CAI X，WEN T Y，et al. Determination of total nitrogen in soil by graphite digester-Kjeldahl method[J]. Chemical Analysis and Meterage，2022，31（12）：55-58 刘宗超，蔡兴，文田耀，等. 石墨消解仪-凯氏定氮法测定土壤中全氮量[J]. 化学分析计量，2022，31（12）：55-58
YANG X Q，WANG J，WANG L，et al. Determination of available potassium in tobacco planting soil by flame atomic absorption spectrometry[J]. Tobacco Science & Technology，2012，45（10）：65-67 杨小秋，汪健，王林，等. 火焰原子吸收光谱法测定植烟土壤中的速效钾[J]. 烟草科技，2012，45（10）：65-67
YAN J J，WANG Q，ZHANG J，et al. Observation and analysis on the multi-leaf trait expression of multifoliate alfalfa in different growing stage[J]. Journal of Grassland and Forage Science，2018（4）：12-16 鄢家俊，王强，张劲，等. 多叶型紫花苜蓿不同生育阶段多叶性状表达的观测分析[J]. 草学，2018（4）：12-16
ZOU Z H. Determination of protein content in bee extract by bicinchoninic acid method[J]. Chemical Analysis and Meterage，2004，13（5）：52-53 邹泽红. BCA法测定蜜蜂变应原中的蛋白含量[J]. 化学分析计量，2004，13（5）：52-53
PENG Y K，LI J Y. Comparative studies between NIRS and chemical analysis method on measuring moisture，crude protein，lysine and crude starch content of wheat grain[J]. Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica，1996，5（3）：31-34 彭玉魁，李菊英. NIRS法同时测定小麦种子水分、粗蛋白、赖氨酸和粗淀粉含量研究[J]. 西北农业学报，1996，5（3）：31-34
LIATUKIENĖ A，SKUODIENĖ R，MURAŠKIENĖ M，et al. Impact of soil and climate on alfalfa growth and yield[J]. Acta Agriculturae Scandinavica，Section B — Soil & Plant Science，2025，75（1）：2577422
YU H Q，MA X P，ZENG H G，et al. Effects of the amount and timing of subsurface drip irrigation on alfalfa seed production[J]. Acta Prataculturae Sinica，2026，35（1）：53-64 俞鸿千，马雪鹏，曾翰国，等. 地下滴灌时期和水量对紫花苜蓿种子生产的影响[J]. 草业学报，2026，35（1）：53-64
YE Y N，YU S Y，WANG X，et al. Effect of irrigation methods and phosphorus on the production performance and nutritional quality of alfalfa[J]. Acta Agrestia Sinica，2024，32（5）：1592-1600 叶雨浓，余淑艳，王星，等. 灌溉方式与磷素对紫花苜蓿生产性能和营养品质的影响[J]. 草地学报，2024，32（5）：1592-1600
HE Y L，YANG X X，ZHANG C P，et al. The impact of different nitrogen and phosphorus fertilizer applications on the yield and quality of Medicago sativa in the Hexi Corridor[J]. Acta Agrestia Sinica，2025，33（5）：1486-1496 何玉龙，杨晓霞，张春平，等. 不同氮磷施量对河西走廊紫花苜蓿产量和品质的影响[J]. 草地学报，2025，33（5）：1486-1496
SHAN X H，ZHANG Y L，WANG X G，et al. Effect of phosphorus fertilizer application rate on biomass accumulation and phosphorus absorption of alfalfa in planting year[J]. Chinese Journal of Grassland，2024，46（8）：63-71 单新河，张运龙，王显国，等. 磷肥施用量对紫花苜蓿建植当年生物量累积和磷素吸收规律的影响[J]. 中国草地学报，2024，46（8）：63-71
IQBAL B，KONG F X，ULLAH I，et al. Phosphorus application improves the cotton yield by enhancing reproductive organ biomass and nutrient accumulation in two cotton cultivars with different phosphorus sensitivity[J]. Agronomy，2020，10（2）：153
LAIRA M D，GRACIANO D DA S，ANDRADE S A L，et al. Pre-anthesis phosphorus sprays boost reproductive development and seed yield in heat-stressed Phaseolus vulgaris L[J]. Plant Science，2025，359：112611
ZHANG Y，LIU W H，WEI X X，et al. Effect of phosphorus addition on seed yield and reproductive allocation of Poa pratensis var. anceps Gaud. cv. Qinghai at flowering stage[J]. Chinese Journal of Grassland，2021，43（2）：37-46 张燕，刘文辉，魏小星，等. 开花期施磷对青海扁茎早熟禾种子产量及繁殖分配的影响[J]. 中国草地学报，2021，43（2）：37-46
JIN T，LIU W，LIU C H. Research on rapid nondestructive detection of moisture content of beef jerky based on multispectral imaging technology[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences，2021，49（2）：204-205，220 金涛，刘伟，刘长虹. 基于多光谱成像技术的牛肉干水分含量快速无损检测研究[J]. 安徽农业科学，2021，49（2）：204-205，220
ZHAO X L，MAK-MENSAH E，ZHAO W C，et al. Optimized ridge-furrow technology with biochar amendment for alfalfa yield enhancement and soil erosion reduction based on a structural equation model on sloping land[J]. Agricultural Water Management，2024，298：108866
FENG G L，JIANG Z，LIU C F，et al. Interactive effects of irrigation volume and phosphorous application rate on yield and agronomic efficiency of applied phosphorous on alfalfa[J]. Pratacultural Science，2023，40（2）：448-459 冯甘霖，蒋朝，刘彩凤，等. 水磷互作对紫花苜蓿生产性能与磷肥农学效率的影响[J]. 草业科学，2023，40（2）：448-459
WANG Y H，WANG C Z，ZHENG A R，et al. Effects of seeding rate and varieties on the dry matter yield of alfalfa[J]. Acta Ecologae Animalis Domastici，2017，38（1）：60-65，69 王彦华，王成章，郑爱荣，等. 播种量和品种对紫花苜蓿干物质产量的影响[J]. 家畜生态学报，2017，38（1）：60-65，69
LIU Z G，GAO K，HUANG J Y，et al. Effects of phosphorus application level on yield and quality of alfalfa[J]. Journal of Inner Mongolia Minzu University（Natural Sciences Edition），2023，38（2）：157-163 刘忠国，高凯，黄佳媛，等. 施磷水平对紫花苜蓿产量和品质的影响[J]. 内蒙古民族大学学报（自然科学版），2023，38（2）：157-163
DONG Y X，WANG J Y，MENG Z，et al. Effects of different nitrogen fertilizers on alfalfa forage yield and quality in southern Xinjiang[J]. Feed Research，2024，47（5）：89-93 董宇宣，王家荫，孟状，等. 不同氮肥对南疆地区苜蓿饲草产量与品质的影响[J]. 饲料研究，2024，47（5）：89-93
JIA Z C，OU C M，SUN S J，et al. A novel approach using multispectral imaging for rapid development of seed pellet formulations to mitigate drought stress in alfalfa[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2023，212：108136
MA Y L，QI G P，WANG J H，et al. Effects of water and fertilizer regulation on yield and nutritional quality of alfalfa grown in irrigated area in northwest desert zone[J]. Journal of Gansu Agricultural University，2018，53（6）：171-179，186 马彦麟，齐广平，汪精海，等. 西北荒漠灌区紫花苜蓿产量和营养品质对水肥调控的响应[J]. 甘肃农业大学学报，2018，53（6）：171-179，186
YANG K X，ZHAO J T，WANG X Z，et al. Effects of different irrigation methods and phosphorus application on alfalfa yield， quality and water and phosphorus use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2023，39（21）：130-138 杨开鑫，赵建涛，王旭哲，等. 不同灌溉方式及施磷对紫花苜蓿产量、品质及水磷利用效率的影响[J]. 农业工程学报，2023，39（21）：130-138
LI J N，FENG G L，LIU H X，et al. The response of irrigation volume and phosphorus application amount to water use efficiency of alfalfa[J]. 1-17 https：//link.cnki.net/urlid/62.1069.S.20250724.1102.005，2025-07-24/2026-07-01 李婕娜，冯甘霖，刘慧霞，等. 灌水量和施磷量互作对紫花苜蓿水分利用效率的调控效应[J]. https：//link.cnki.net/urlid/62.1069.S.20250724.1102.005，2025-07-24/2026-07-01
WEI K Q，ZHANG Y Y，HUI J F，et al. Effect of phosphate-solubilizing bacteria and phosphorus on non-structural carbohydrate content and the carbon： nitrogen： phosphorus stoichiometry of alfalfa roots[J]. Acta Prataculturae Sinica，2025，34（5）：40-50 魏孔钦，张盈盈，回金峰，等. 菌磷配施对紫花苜蓿根系非结构碳水化合物及碳氮磷化学计量特征的影响[J]. 草业学报，2025，34（5）：40-50
WANG Y D，ZHANG Q C，JU M X，et al. Alfalfa photosynthesis under partial root-zone drying： diurnal patterns and its non-stomatal limitations[J]. Plants，2025，14（11）：1573
WANG H，XIANG Y Z，ZHANG F C，et al. Responses of yield， quality and water-nitrogen use efficiency of greenhouse sweet pepper to different drip fertigation regimes in Northwest China[J]. Agricultural Water Management，2022，260：107279

2026年第34卷第9期

PDF下载

148

引用本文

BibTeX

文章信息

doi: 10.11733/j.issn.1007-0435.2026.09.005

接收时间：2026-05-06
首发时间：2026-09-23

补充材料

相关文章

文章信息

作者

出版历史

收稿日期：2026-05-06
修回日期：2026-07-01

基金

作者信息

参考文献

分享链接

https://castjournals.cast.org.cn/joweb/cdxb/CN/10.11733/j.issn.1007-0435.2026.09.005

分享至

全文二维码

扫描看全文

引用本文

BibTeX

本文的引用情况

2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

关闭全屏

BibTeX
EndNote
RefWorks
TxT